《嵌入式linux应用程序开发完全手册》MMU硬件编程学习笔记

《嵌入式linux应用程序开发完全手册》MMU硬件编程学习笔记

 

MMU是什么东东？什么原理？干什么用的？我就不废话了，只讲一些关键的，我个人认为比较重要的东西。

一般来讲，MMU将虚拟地址转化成物理地址有两种方式：第一种就是用一个确定的数学公式进行转化，第二种就是用“表格”(page table)存储虚拟地址对应的物理地址。而在ARM CPU中则采用的是第二种方式。

在MMU启动之前，CPU和各个外设使用的都是物理地址，启动MMU后，CPU核发出虚拟地址VA(Virtual Address)，VA被转换成MVA（Modified Virtual Address）供Cache，MMU使用，在这里MVA被转换成PA（Physical Address）；最后使用PA与实际设备打交道。

在启动MMU后，CPU只能看到VA，也不理会VA如何最终转换成PA的。而Cache和MMU看不见VA,它们利用由MVA转换得到PA，所以Cache和 MMU看得到MVA和PA。实际设备只能看到PA.

实际上MVA就是除CPU外其它部分看眼中的“VA“。

由VA转换成MVA由硬件完成，如果VA>32M，则MVA=VA。如果VA<32M时，考虑到不同进程所用VA有可能重叠的情况，一旦发生重叠，那后面的地址转换工作量将将变得非常复杂，故将VA与进程PID进行运算后作为MVA，再用MVA作为转换基地址，再转换成PA。

S3C2440最多会用到两级页表，以段(Section)的方式进行转换时只用到一级页表，以页(page)的方式进行转换时用到两级页表。

页表由一个个条目(Entry)组成，每个条目存储了一段虚拟地址对应的物理地址及其访问权限，或者下一级页表地址。条目也称为“描述符(Descriptor)”,包括段描述符，大页描述符，小页描述符，极小页描述符，它们依次保存段，大页，小页或级小页的起始物理地址。粗页表描述符，细页描述符用来保存二级页表的物理地址。

MVA->PA地址转换过程如下：

(1)根据给定的虚拟地址找到一级页表中的条目。

(2)如果此条目是段描述符，则返回物理地址，转换结束。

(3)否则，如果此条目是二级页表描述符，继续利用虚拟地址在此二级页表中找到下一条目。

(4)如果第二个条目是页描述符，则返回物理地址，转换结束。

(5)其它情况出错。

对于S3C2440详细的MMU地址转换过程，这里就不啰嗦，可以参考手册进行深入了解。其中需要注意的几个概念和原理，包括内存访问权限检查，TLB和Cache。程序设计的时候需要特别注意这些操作细节。

这里，我们将虚拟地址空间0xB0000000 ~0xB3FFFFFF映射到物理地址空间0x30000000~0x33ffffff上，并在程序连接时指定代码运行地址为0xB0004000。本示例使用SDRAM开始的16KB来存放一极页表，所以剩下的内存开始物理地址为0x30004000。例子程序分为两部分，第一部分运行地址为0,用以初始化SDRAM，复制第二部分代码到SDRAM中（存放在0x30004000开始处），设置页表，启动MMU，最后跳到SDRAM中(0XB0004000)继续执行。第二部分代码运行地址为0xb0004000，用以驱动LED。

整个程序的流程就是这样：开始->关闭watchdog->设置栈指针->初始化SDRAM->复制第二部分代码到SDRAM中->设置页表->启动MMU->重设栈指针->跳到0xb0004000处执行->led操作。

 

下面我们就来分析一下整个代码的流程和结构以及详细的处理方法：

 

 

create_page_table实现3个地址区域的转换。

1>将虚拟地址0~(1M-1)映射到同样的物理地址，steppingstone为4KB，处于这个范围，故VA=PA。这样，steppingstone中的程序在开启mmu前后不需要考虑地址问题。

2>GPIO寄存器起始物理地址为0x56000000，将虚拟地址0xA0000000~0xA000000+1M-1映射到物理地址0x56000000 ~0x56000000+1M-1。

3>本开发板中SDRAM的物理地址范围为0x30000000~0x33ffffff，将虚拟地址0xB0000000~0xB3ffffff映射到物理地址0x30000000~0x33ffffff。 

 

 

    (1)主体程序：

@*************************************************************************@ File：head.S@ 功能：设置SDRAM，将第二部分代码复制到SDRAM，设置页表，启动MMU，@ 然后跳到SDRAM继续执行@************************************************************************* .text.global _start_start: ldr sp, =4096 @ 设置栈指针，以下都是C函数，调用前需要设好栈 bl disable_watch_dog @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启 bl memsetup @ 设置存储控制器以使用SDRAM bl copy_2th_to_sdram @ 将第二部分代码复制到SDRAM bl create_page_table @ 设置页表 bl mmu_init @ 启动MMU ldr sp, =0xB4000000 @ 重设栈指针，指向SDRAM顶端(使用虚拟地址) ldr pc, =0xB0004000 @ 跳到SDRAM中继续执行第二部分代码halt_loop: b halt_loop

 

(2)disable_watch_dog  和memsetup   的实现与前面的一样这里就不啰嗦了。

 

(3)copy_2th_to_sdram  主要用来将第二部分的代码(led驱动操作相关的)，从steppingstone中复制到SDRAM中，在连接程序时，第二部分代码的加载地址被指定为2048，重定位地址为0xB0004000。所以系统从nand flash启动后，第二部分代码就存储在steppingstone中地址2048之后，需要把它复制到0x30004000处(MMU开启之前，VA(0xB0004000)==PA(0x30004000))。Steppingstone总大小为4KB,我们将2048之后的所有数据复制到SDRAM中，所以源数据结束地址就为4096。

 

/* * 将第二部分代码复制到SDRAM */void copy_2th_to_sdram(void){ unsigned int *pdwSrc = (unsigned int *)2048; unsigned int *pdwDest = (unsigned int *)0x30004000; while (pdwSrc < (unsigned int *)4096) { *pdwDest = *pdwSrc; pdwDest++; pdwSrc++; }}

 

（4）其实上面的内容在前面已经都讲过了，这里只是温习一下，下面就要看新的内容了，就是本节的create_page_table ，mmu_init。

 

/* * 设置页表 */void create_page_table(void){/* * 用于段描述符的一些宏定义 */ #define MMU_FULL_ACCESS (3 << 10) /* 访问权限 */#define MMU_DOMAIN (0 << 5) /* 属于哪个域 */#define MMU_SPECIAL (1 << 4) /* 必须是1 */#define MMU_CACHEABLE (1 << 3) /* cacheable */#define MMU_BUFFERABLE (1 << 2) /* bufferable */#define MMU_SECTION (2) /* 表示这是段描述符 */#define MMU_SECDESC (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | / MMU_SECTION)#define MMU_SECDESC_WB (MMU_FULL_ACCESS | MMU_DOMAIN | MMU_SPECIAL | / MMU_CACHEABLE | MMU_BUFFERABLE | MMU_SECTION)#define MMU_SECTION_SIZE 0x00100000 unsigned long virtuladdr, physicaladdr; unsigned long *mmu_tlb_base = (unsigned long *)0x30000000; /* * Steppingstone的起始物理地址为0，第一部分程序的起始运行地址也是0， * 为了在开启MMU后仍能运行第一部分的程序， * 将0～1M的虚拟地址映射到同样的物理地址 */ virtuladdr = 0; physicaladdr = 0; *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | / MMU_SECDESC_WB; /* * 0x56000000是GPIO寄存器的起始物理地址， * GPBCON和GPBDAT这两个寄存器的物理地址0x56000010、0x56000014， * 为了在第二部分程序中能以地址0xA0000010、0xA0000014来操作GPBCON、GPBDAT， * 把从0xA0000000开始的1M虚拟地址空间映射到从0x56000000开始的1M物理地址空间 */ virtuladdr = 0xA0000000; physicaladdr = 0x56000000; *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | / MMU_SECDESC; /* * SDRAM的物理地址范围是0x30000000～0x33FFFFFF， * 将虚拟地址0xB0000000～0xB3FFFFFF映射到物理地址0x30000000～0x33FFFFFF上， * 总共64M，涉及64个段描述符 */ virtuladdr = 0xB0000000; physicaladdr = 0x30000000; while (virtuladdr < 0xB4000000) { *(mmu_tlb_base + (virtuladdr >> 20)) = (physicaladdr & 0xFFF00000) | / MMU_SECDESC_WB; virtuladdr += 0x100000; physicaladdr += 0x100000; }}

 

Mmu_init用来将页表地址通知给CPU,在开启MMU前做一些准备工作，比如使无效ICache,DCache,设置域访问控制寄存器等。

 

/* * 启动MMU */void mmu_init(void){ unsigned long ttb = 0x30000000;__asm__( "mov r0, #0/n" "mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0/n" /* 使无效ICaches和DCaches */ "mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4/n" /* drain write buffer on v4 */ "mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0/n" /* 使无效指令、数据TLB */ "mov r4, %0/n" /* r4 = 页表基址 */ "mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0/n" /* 设置页表基址寄存器 */ "mvn r0, #0/n" "mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0/n" /* 域访问控制寄存器设为0xFFFFFFFF， * 不进行权限检查 */ /* * 对于控制寄存器，先读出其值，在这基础上修改感兴趣的位， * 然后再写入 */ "mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0/n" /* 读出控制寄存器的值 */ /* 控制寄存器的低16位含义为：.RVI ..RS B... .CAM * R : 表示换出Cache中的条目时使用的算法， * 0 = Random replacement；1 = Round robin replacement * V : 表示异常向量表所在的位置， * 0 = Low addresses = 0x00000000；1 = High addresses = 0xFFFF0000 * I : 0 = 关闭ICaches；1 = 开启ICaches * R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限 * B : 0 = CPU为小字节序；1 = CPU为大字节序 * C : 0 = 关闭DCaches；1 = 开启DCaches * A : 0 = 数据访问时不进行地址对齐检查；1 = 数据访问时进行地址对齐检查 * M : 0 = 关闭MMU；1 = 开启MMU */ /* * 先清除不需要的位，往下若需要则重新设置它们 */ /* .RVI ..RS B... .CAM */ "bic r0, r0, #0x3000/n" /* ..11 .... .... .... 清除V、I位 */ "bic r0, r0, #0x0300/n" /* .... ..11 .... .... 清除R、S位 */ "bic r0, r0, #0x0087/n" /* .... .... 1... .111 清除B/C/A/M */ /* * 设置需要的位 */ "orr r0, r0, #0x0002/n" /* .... .... .... ..1. 开启对齐检查 */ "orr r0, r0, #0x0004/n" /* .... .... .... .1.. 开启DCaches */ "orr r0, r0, #0x1000/n" /* ...1 .... .... .... 开启ICaches */ "orr r0, r0, #0x0001/n" /* .... .... .... ...1 使能MMU */ "mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0/n" /* 将修改的值写入控制寄存器 */ : /* 无输出 */ : "r" (ttb) );}

 

（5） LED驱动代码

/* * leds.c: 循环点亮4个LED * 属于第二部分程序，此时MMU已开启，使用虚拟地址 */ #define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0xA0000010) // 物理地址0x56000010#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0xA0000014) // 物理地址0x56000014#define GPB5_out (1<<(5*2))#define GPB6_out (1<<(6*2))#define GPB7_out (1<<(7*2))#define GPB8_out (1<<(8*2))/* * wait函数加上“static inline”是有原因的， * 这样可以使得编译leds.c时，wait嵌入main中，编译结果中只有main一个函数。 * 于是在连接时，main函数的地址就是由连接文件指定的运行时装载地址。 * 而连接文件mmu.lds中，指定了leds.o的运行时装载地址为0xB4004000， * 这样，head.S中的“ldr pc, =0xB4004000”就是跳去执行main函数。 */static inline void wait(unsigned long dly){ for(; dly > 0; dly--);}int main(void){ unsigned long i = 0; // 将LED1-4对应的GPB5/6/7/8四个引脚设为输出 GPBCON = GPB5_out|GPB6_out|GPB7_out|GPB8_out; while(1){ wait(30000); GPBDAT = (~(i<<5)); // 根据i的值，点亮LED1-4 if(++i == 16) i = 0; } return 0;}